Сонячний колектор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Со́нячний коле́ктор — пристрій для збору енергії випромінювання Сонця у видимому та інфрачервоному спектрі.

Типи сонячних колекторів[ред.ред. код]

Плаский сонячний колектор[ред.ред. код]

Плаский сонячний колектор

Плаский колектор складається з елементу, що поглинає сонячне випромінювання, прозорого покриття та термоізолюючого шару. Поглинаючий елемент називається абсорбентом; він з'єднаний з теплопровідною системою. Прозорий елемент зазвичай виконується з загартованого скла з пониженим вмістом металів. При відсутності відбору тепла (застої) пласкі колектори здатні нагрівати воду до 190—200 °C. Чим більше енергії випромінювання передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальне оптичне покриття, яке не випромінює тепла в інфрачервоному спектрі. Стандартним способом підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбента з листової міді через її високу теплопровідність.[1][2][3]

Вакуумний сонячний колектор[ред.ред. код]

Вакуумний сонячний колектор

Можливе підвищення температури теплоносія аж до 250—300 °C в режимі обмеження відбору тепла. Домогтися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат в результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму. Фактично сонячна теплова труба схожа за будовою з побутовими термосами. Тільки зовнішня частина труби прозора, а на внутрішній трубці нанесено високоселективне покриття, що вловлює сонячну енергію. Між зовнішньою та внутрішньою трубками знаходиться вакуум. Саме ваккумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% уловлюваної теплової енергії. Окрім того, у вакуумних сонячних колекторах знайшли застосування теплові трубки, що виконують роль провідника тепла. При опроміненні установки сонячним світлом, рідина, що знаходиться в нижній частині трубки, нагріваючись перетворюється на пару. Пари піднімаються у верхню частину трубки (конденсатор), де конденсуючись передають тепло колектору. Використання даної схеми дозволяє досягти більшого ККД (у порівнянні з плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої освітленості. Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду до температури кипіння навіть при негативній навколишній температурі.[4]

Сонячні колектори-концентратори[ред.ред. код]

Підвищення експлуатаційних температур до 120—250 °C можливе шляхом введення в сонячні колектори концентраторів з допомогою параболоциліндричних відбивачів, прокладених під поглинаючими елементами. Для отримання більш високих експлуатаційних температур потрібні пристрої стеження за сонцем.[4]

Застосування[ред.ред. код]

Сонячний водонагрівач житлового будинку. Мальта.

Сонячні колектори застосовують для опалення промислових і побутових приміщень, гарячого водопостачання виробничих процесів, побутових потреб. Найбільша кількість виробничих процесів, в яких використовується тепла та гаряча вода (30-90 °C), проходять в харчовій і текстильній промисловості, які таким чином мають найвищий потенціал для використання сонячних колекторів. У Європі в 2000 році загальна площа сонячних колекторів становить 14,89 млн м², а в усьому світі — 71,341 млн м². Сонячні колектори-концентратори можуть виробляти електроенергію за допомогою фотоелектричних елементів або двигуна Стірлінга.

Сонячні вежі[ред.ред. код]

Сонячна башта, Севілья, Іспанія. Побудована в 2007 році.

Вперше ідея створення сонячної електростанції промислового типу була висунута радянським інженером Н. В. Ліницьким в 1930-их роках. Тоді ж ним була запропонована схема сонячної станції з центральним приймачем на вежі. У ній система уловлювання сонячних променів складалася з поля геліостатів — плоских відбивачів, керованих по двох координатах. Кожен геліостат відображає промені сонця на поверхню центрального приймача, який для усунення впливу взаємного затінення піднято над полем геліостатів. За своїми розмірами та параметрами приймач аналогічний паровому котлу звичайного типу.

Економічні оцінки показали доцільність використання на таких станціях великих турбогенераторів потужністю 100 МВт. Для них типовими параметрами є температура 500 °C і тиск 15 МПа. З урахуванням втрат для забезпечення таких параметрів була потрібна концентрація порядку 1000. Така концентрація досягалася за допомогою управління геліостатами по двох координатах. Станції повинні були мати теплові акумулятори для забезпечення роботи теплової машини при відсутності сонячного випромінювання.

У США з 1982 року було побудовано декілька станцій баштового типу потужністю від 10 до 100 МВт. Докладний економічний аналіз систем цього типу показав, що з урахуванням всіх витрат на спорудження 1 кВт встановленої потужності коштує приблизно $ 1150. Одна кВт·год електроенергії коштувала близько $ 0,15.[5][6][7]

Параболоциліндричні концентратори[ред.ред. код]

Параболоциліндричні концентратори мають форму параболи, розміщеної вздовж прямої. У 1913 році Франк Шуман (Frank Shuman) побудував в Єгипті станцію водопостачання з параболоциліндричних концентраторів. Станція складалася з п'яти концентраторів кожен 62 метри в довжину, поверхні яких були виготовлені зі звичайних дзеркал. Станція виробляла водяну пару, за допомогою якого перекачувала близько 22 500 літрів води за хвилину.

Параболоциліндричний дзеркальний концентратор фокусує сонячне випромінювання в лінію і може забезпечити його стократну концентрацію. У фокусі параболи розміщується трубка з теплоносієм (масло), або фотоелектричний елемент. Масло нагрівається в трубці до температури 300—390 °C. Параболоциліндричні дзеркала зазвичай мають довжину до 50 метрів. Дзеркала орієнтують по осі північ-південь і розміщують рядами через кілька метрів. Теплоносій надходить в тепловий акумулятор для подальшого вироблення електроенергії паротурбінним генератором.

З 1984 року по 1991 рік у Каліфорнії було побудовано дев'ять електростанцій з параболоциліндричних концентраторів загальною потужністю 354 МВт. Вартість електроенергії становила близько $ 0,12 за кВт·год. Германська компанія «Solar Millennium AG» будує у Внутрішній Монголії (Китай) сонячну електростанцію. Загальна потужність електростанції збільшиться до 1000 МВт до 2020 року. Потужність першої черги складе 50 МВт.

У червні 2006 року в Іспанії була побудована перша термальна сонячна електростанція потужністю 50 МВт.

Світовий банк фінансує будівництво подібних електростанцій в Мексиці, Марокко, Алжирі, Єгипті та Ірані. Концентрація сонячного випромінювання дозволяє скоротити розміри фотоелектричного елемента. Але при цьому знижується його ККД і виникає необхідність в системі охолодження.[8]

Параболічні концентратори[ред.ред. код]

Параболічні концентратори мають форму супутникової тарілки. Параболічний рефлектор управляється за двома координатами при стеженні за сонцем. Енергія сонця фокусується на невеликій площі. Дзеркала відбивають близько 92% падаючого на них сонячного випромінювання. У фокусі відбивача на кронштейні закріплений двигун Стірлінга, або фотоелектричні елементи. Двигун Стірлінга розташовується таким чином, щоб область нагріву перебувала у фокусі відбивача. В якості робочого тіла двигуна Стірлінга використовується, як правило, водень, або гелій.

У лютому 2008 року Національна лабораторія «Sandia» досягла ефективності 31,25% в установці, що складається з параболічного концентратора та двигуна Стірлінга.

В даний час будуються установки з параболічними концентраторами потужністю 9-25 кВт. Розробляються побутові установки потужністю 3 кВт. ККД подібних систем близько 22-24%, що вище, ніж у фотоелектричних елементів. Колектори виробляються зі звичайних матеріалів: сталь, мідь, алюміній, і т. д. без використання кремнію «сонячної чистоти». У металургії використовується так званий «металургійний кремній» чистотою 98%. Для виробництва фотоелектричних елементів використовується кремній «сонячної чистоти», або «сонячної градації» з чистотою 99,9999%.

У 2001 році вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах становила $ 0,09-0,12 за кВт·год. Департамент енергетики США прогнозує, що вартість електроенергії, виробленої сонячними концентраторами знизиться до $ 0,04-0,05 в 2015 — 2020 році.

Компанія «Stirling Solar Energy» розробляє сонячні колектори великих розмірів — до 150 кВт з двигунами Стірлінга. Компанія будує в південній Каліфорнії найбільшу у світі сонячну електростанцію. До 2010 року буде збудовано 20 тисяч параболічних колекторів діаметром 11 метрів. Сумарна потужність електростанції може бути збільшена до 850 МВт.[9][10]

Сонячні піраміди[ред.ред. код]

Сонячна піраміда являє собою власне піраміду темного кольору, поверхня якої нагрівається сонцем і передає тепло робочому тілу, роль якого виконує повітря чи водяна пара, яке обертає турбіну. Навколо піраміди також можуть розміщуватись конценруючі дзеркала. Сонячний колектор такого типу побудовано в Австралії, та планується побудувати в Індії.[11][12][13]

Лінзи Френеля[ред.ред. код]

Лінзи Френеля використовуються для концентрації сонячного випромінювання на поверхні фотоелектричного елемента. Застосовуються як кільцеві, так і поясні лінзи.

Джерела[ред.ред. код]

  1. http://www.rise.org.au/info/Tech/lowtemp/hotwatersys.html
  2. http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=17036823
  3. http://www.springerlink.com/content/t632m867672l8w46/
  4. а б http://solarthermal.com/
  5. http://www.membrana.ru/articles/technic/2007/06/01/111200.html
  6. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6616651.stm
  7. http://www.solarpaces.org/SOLARTRES.HTM
  8. http://www.economist.com/sciencetechnology/tq/displaystory.cfm?story_id=13725855
  9. http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2008/solargrid.html
  10. http://www.marketmetal.ru/pages/page_668
  11. http://www.msc-power.co.in/msc1/html/features.asp
  12. http://www.treehugger.com/files/2006/03/solar_pyramids.php
  13. http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/03/20/191900.html

Посилання[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
  • Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
  • Солнечный душ\\Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 №1, стр 131
  • Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990
  • Hottel, H. C. and Whillier, A.: "Evaluation of Flat-Plate Solar Collector Performance," Trans. of the Conference on the Use of Solar Energy - The Scientific Basis, Vol. 2, Tucson, AZ, Oct. 31- Nov. 1, 1955, pp 74–104.